محورهای فعالیت و ارائه خدمات شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه در بخش پایدارسازی گودهای عمیق (Deep excavations stabilization) به طور کلی به صورت زیر می باشد:
1) میخکوبی یا نیلینگ (Nailing)
2) مهارگذاری یا انکراژ (Anchorage)
3) ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان (Top & Down Construction)
4) مهار متقابل یا استرات (Strut)
5) دیوار برلنی (Berlin Wall)
6) سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structure)
7) دیوار دیافراگمی (Diaphragm Pile Wall)
8) سپرکوبی (Sheet Pile)
9) خاک مسلح یا ژئوسنتتیک (Geosynthetics)
10) پایش دیواره های گود (Monitoring)
11) نقشه برداری (Surveying)
در هر یک از روش های پایدارسازی گودهای عمیق بنا به مقتضیات طراحی، عضوی به عنوان دیوار حائل می تواند وجود داشته باشد. این عضو می تواند دیوار دیافراگمی، شمع های بتنی، ستون های تزریق پر فشار (جت گروتینگ) و اختلاط عمقی، شمع های نگهبان فلزی، سپر یا اعضای مشابه باشد. البته در روش میخ کوبی معمولاً از یک لایه بتن پاششی (شاتکریت) به عنوان پوشش استفاده می شود.
دیوارهای مختلف نگهبان هر یک دارای مزایا و محدودیت های ویژه ای بوده که به فرآخور پروژه ها می توان از هر یک یا تلفیق آن ها استفاده نمود.
1) نیلینگ یا میخکوبی خاک (Soil Nailing)
میخ کوبی دیواره ها یا نیلینگ به معنای تسلیح برجای توده خاک موجود با نصب میلگردهای فولادی (Nails) در فواصل نزدیک به هم در یک سطح شیبدار و یا در محل گودبرداری به صورت قائم و با اجرای از بالا به پایین (Top Down Construction) می باشد.
میلگردها معمولاً داخل گمانه هایی که در دیواره خاکی حفاری می شود، قرار می گیرند که به منظور جلوگیری از خوردگی میلگردها و انتقال مناسبتر نیروها بین خاک و میلگرد توسط دوغاب سیمان پر می شوند. روش نیلینگ یک مقطع مسلح پایدار ایجاد می کند که توانایی نگهداری خاک پشت خود را دارد.
روش میخ کوبی در سال ۱۹۶۰ میلادی برای اولین بار مورد بحث و بررسی قرار گرفت. این روش بر اساس روش سیستم مهاربندی و پیچ کردن سنگ ها می باشد. اولین بار این سیستم پایدارسازی برای حفر تونلی در استرالیا در سال ۱۹۶۰ به کار گرفته شد. در این تونل برای پایدارسازی از آرماتور، تزریق دوغاب سیمان و شاتکریت استفاده گردید. در سال های بعد نیز به مرور این روش در سطح جهان گسترش یافت. در ایران نیز استفاده از روش میخ کوبی در سال های اخیر توسعه چشمگیری یافته و یکی از کاربردی ترین روش ها به ویژه در ساخت و سازهای شهری می باشد.
از دیدگاه اصول علمی مطرح در مهندسی ژئوتکنیک، روش نیلینگ به صورت مقاوم عمل کرده و اثر خود را از طریق اندرکنش خاک – میلگرد، حاصل از ایجاد تغییرشکل در خاک اعمال می کند. از این رو استفاده از سیستم نیلینگ در موقعیت هایی که حساسیت به تغییرمکان های ناشی از گودبرداری بالابوده و یا در مجاورت سازه های حساس، قدیمی و فرسوده واقع هستند و یا شامل خاک های نرم و متوسط به لحاظ سختی و مقاومت هستند، به طور کلی توصیه نمی گردد.
مراحل روش اجرای نیلینگ
در روش نیلینگ، میخ‌ها غالباً در کشش عمل می کنند ولی در شرایط خاصی، عملکرد خمشی و برشی آنها نیز در نظر گرفته می شود. اثر مسلح سازی میخ برای بهبود پایداری دیوار با دو عملکرد زیر حاصل می شود:
- افزایش نیروی قائم و در نتیجه افزایش مقاومت برشی سطح لغزش در خاک های اصطکاکی
- کاهش نیروی رانشی سطح لغزش در خاک های اصطکاکی و چسبنده
پس از نصب میلگردهای تسلیح، یک دیواره سطحی کم ضخامت که معمولاً شامل شاتکریت همراه با یک لایه تسلیح سبک فولادی شبکه ای می باشد، سطح دیواره شیروانی یا گود را می پوشاند. هدف از اجرای این دیواره:
- جلوگیری از فرسایش سطحی خاک
- ایجاد سطح تمام شده مناسب تر برای ساخت و سازهای احتمالی بعدی
- هدف مهم تر ساخت این دیواره ها افزایش بازدهی عملکرد سیستم خاک تحکیم یافته به ویژه در بخش های نزدیک به دیواره گود
می باشد.
همچنین این لایه بتنی – فولادی به انتقال بهتر نیروهای محرک به المان های تسلیح، کمک شایانی می کند. پوشش نهایی (Facing) به 2 صورت زیر قابل طراحی و اجرا می باشد:
- موقتی (Temporary)
- دائمی (Permanent)
نیلینگ یا میخ کوبی خاک روش نسبتاً جدیدی جهت پایدارسازی گودهای عمیق می باشد که به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحصر به فرد خود، به عنوان راه حل بسیار مناسبی در موارد مختلف کاربردهای فراوانی دارد:
- پایدارسازی شیب ها، شیروانی ها و ترانشه ها
- افزایش ظرفیت باربری
- محدود کردن تغییر شکل ها با ایجاد حداقل دست‌خوردگی در وضعیت طبیعی زمین
استفاده از روش نیلینگ، طی دو دهه اخیر در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه جهت پایدارسـازی گودبرداری ها و همچنین پایدارسازی شیب های طبـیعی کاربرد وسیعی پیدا کرده است. برخی از کاربردهای وسیع این روش تسلیح خاک شامل پایدارسازی شیب های طبیعی و یا ترانشه‌های مجاور راه ها، تعریض راه ها، گودبرداری در مجاورت سازه های موجود، پایدارسازی و مقاوم سازی سازه های نگهبان قدیمی و … می باشد.
2) انکراژ یا مهارگذاری (Soil Anchorage)
اصول اجرای روش مهارگذاری یا انکراژ مشابهت های فراوانی با روش نیلینگ (میخکوبی) دارد. تفاوت اصلی در اعمال نیروی پس تنیدگی برای المان تسلیح می باشد. گام های اجرایی مشابه روش میخکوبی و شامل خاکبرداری مقطعی، حفاری گمانه ها، نصب میلگرد تسلیح، تزریق دوغاب سیمان (در بخشی از طول گمانه)، بتن پاشی و نصب صفحه سر نیل و مهره می باشند.
پس از گذشت مدت زمان مناسب جهت عمل آوری دوغاب سیمان، با نصب پایه جک، جک کششی و نیروسنج، نیروی پس تنیدگی تا مقدار مورد نظر طراحی به میلگرد تسلیح و دوغاب اطراف آن اعمال می شود.
مرحله اول: خاکبرداری تا تراز نصب اولین ردیف انکرها انجام می گردد.
مرحله دوم: حفاری گمانه جهت اجرای انکر انجام می گردد.
مرحله سوم: جایگذاری مهاری و تزریق
مرحله چهارم: پس از گیرش دوغاب، عملیات کشش و خاکبرداری و اجرای پوشش بتنی انجام می گردد.
در این روش امکان اجرای پوشش دائمی نیز در صورت نیاز وجود دارد. این پوشش ها نیز می تواند از نوع:
- بتن پاششی
- بتن پیش ساخته
- بتن درجا ریز
- سایر انواع تکنولوژی های جدیدتر برای اجرای پوشش طرح دار و سازگار با محیط
باشد.
در روش انکراژ انواع روش های تزریق جهت تأمین مقاومت قسمت گیردار وجود دارد.
3) ساخت بالا به پایین یا تاپ دان (Top – Down Construction)
در روش ساخت بالا به پایین یا تاپ دان به جای احداث سازه نگهبان، خود سازه اصلی از بالا به پایین اجرا و همزمان گودبرداری انجام می گردد. این روش با ایجاد تغییراتی در نحوه طراحی و محاسبات سازه و در اختیار داشتن برخی تجهیزات و امکانات خاص، در ساخت ایستگاه های مترو در اروپا به منظور کاهش زمان و هزینه های اجرائی و کاهش اختلال در ترافیک شهری و زندگی مردم به کار گرفته شد و به دلیل مزایای بالای آن در سال های اخیر در پروژه های بزرگ عملا جایگزین روش ساخت سنتی گردیده است.
ساخت و سازها به صورت سنتی که به روش ساخت پایین به بالا (Bottom-Up) معروف است با گودبرداری و سپس اجرای شالوده (فونداسیون) آغاز شده و با ساخت سازه اصلی و تکمیل سقف نهایی پایان می یابد.
بر خلاف روش مذکور روش دیگری به نام Top-Down وجود دارد که بر خلاف روش سنتی با ساخت دیواره های دور، ستون ها و سقف نهایی آغاز و با تکمیل گودبرداری و ساخت شالوده (فونداسیون) سازه به اتمام می رسد. از مهمترین مزایای این روش می توان با حذف و یا به حداقل رساندن سطوح قالب بندی و حذف یا کاهش مهار های موقت اشاره نمود.
مراحل روش اجرای ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان
در روش ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان، ابتدا دیوار دیافراگمی، شمع فولادی یا شمع بتنی در پیرامون احداث می گردد. پس از آن ستون های سازه همراه با یک شالوده (فونداسیون) از نوع عمیق یا نیمه عمیق اجرا گردیده و به ترتیب از بالا به پایین سازه اصلی همزمان با خاکبرداری اجرا می شود. چنانچه وضعیت خاک به لحاظ استحکام مناسب بوده و شرایط آب زیر سطحی نیز مساعد باشد می توان اجرای دیوار را نیز به صورت مرحله به مرحله همزمان با اجرای طبقات از بالا به پایین انجام داد.
در این روش نیز می توان کل سازه و یا بخشی از آن را به صورت از بالا به پایین اجرا نمود. در صورتی که ابعاد پروژه در پلان کوچک باشد اجرای کل سازه زیرزمین به روش ساخت بالا به پایین به راحتی امکان پذیر است. در صورت وسعت زیاد در پلان اجرای نوار پیرامونی به روش از بالا به پایین و ناحیه مرکزی به روش ساخت پایین به بالا می تواند گزینه مناسب تری باشد. همچنین امکان تلفیق این روش با سایر روش های پایدارسازی نیز ممکن می باشد.
4) استرات یا مهارگذاری فشاری خاک (Braced Excavations – Struts)
در روش استرات از مهارهای فشاری جهت انتقال فشار خاک استفاده می گردد. اجزای تشکیل دهنده این سیستم به طور کلی شامل موارد زیر است:
- دیوار که می تواند از نوع Sheet Pile، دیوار دیافراگمی، شمع های نگهبان فلزی یا بتنی و غیره باشد.
- اعضای فشاری به نام Strut یا Brace.
- اعضای واسط بین دیوار و اعضای فشاری که Wale نامیده می شوند.
در این روش فشار خاک از طریق دیوار به Wale و از طریق Wale به Strutها منتقل می شود و در نتیجه Strutها و اتصال آنها بر اساس نیروی فشاری، Waleها بر اساس نیروی برشی و خمشی و دیوار نیز بر اساس نیروهای ترکیبی طراحی می گردد.
در روش مهارگذاری فشاری خاک ابتدا شمع های نگهبان پیرامونی به عنوان دیوار موقت اجرا شده و سپس در هر مرحله از گودبرداری Wale ها اجرا و Strut ها به آن متصل می گردند.
در این روش می توان از مدل سازی های 2 بعدی یا 3 بعدی استفاده نمود و حالات حدی نهایی و بهره برداری را کنترل و بر اساس نیروهای بدست آمده اعضای سازه ای را طراحی نمود. اعضای سازه ای عموماً فولادی بوده و مطابق آئین نامه های سازه های فولادی طراحی می گردند.
5) دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
یکی از روش های پایدارسازی گود روش دیوار برلنی می باشد. این روش در واقع ترکیبی از شمع های بتنی یا فولادی و رویه بتنی (شاتکریت) می باشد. جهت گیرداری شمع های فولادی و بتنی حدود ۲۵ درصد از طول آنها به عنوان ریشه شمع در نظر گرفته می شود. جهت جلوگیری از ریزش های موضعی بین شمع ها از رویه های بتنی درجا یا پیش ساخته استفاده می گردد.
جهت اجرای رویه های بتنی درجا، پس از خاکبرداری شبکه میلگرد فولادی (مش) بین شمع ها قرار داده شده و سپس به وسیله بتن پاشی (شاتکریت) یک رویه بتنی بین شمع ها ایجاد می گردد.
جهت پایدارسازی گودهای عمیق از ترکیب دیوار برلنی با میخ کوبی (نیلینگ) و یا مهارگذاری (انکراژ) نیز استفاده می گردد.
6) سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structure)
در روش اجرای سازه نگهبان خرپایی که یکی از روش های پایدارسازی گودهای نیمه عمیق است، فشار خاک وارد بر دیواره گود از طریق اعضای افقی و مورب به کف گود منتقل می گردد.
اعضای قائم می تواند به صورت فلزی یا بتنی باشند. اعضای افقی و مورب خرپا معمولاً به صورت فلزی ساخته می شوند.
سازه نگهبان خرپایی مناسب برای گودهای با عمق کمتر از ۱۴ متر و نسبت عرض به عمق گود بزرگتر از پنج هستند. در گودبرداری های عمیقتر تأمین شیب ایمن و محدود نمودن تغییرشکلها در حد مجاز دشوار بوده و توصیه می شود در صورت امکان از روشهای جایگزین استفاده گردد.
در طراحی کلیات و چیدمان اعضای سازه نگهبان خرپایی، به منظور پیشگیری از بروز پدیده خرابی پیشرونده توصیه می شود که درجه نامعینی سازه تا حد امکان افزایش داده شود.
7) دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی (Diaphragm walls – Slurry walls)
دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی یکی از روش های پایدارسازی گودهای عمیق می باشد. در این روش جهت حفاظت از ریزش دیواره گود، دیواره ای بتنی اجرا می گردد. گاهی مواقع جهت پایدارسازی گود از ترکیب روش های دیگر پایدارسازی با این روش استفاده می گردد.
جهت اجرای این دیواره از دستگاه های حفاری ویژه ای به نام هیدروفرز یا گراب (grab) استفاده می گردد. برای جلوگیری از ریزش های موضعی دیواره حفاری شده از دوغاب بنتونیت استفاده می گردد. بعد از اتمام حفاری دیوار دیافراگمی، میلگرد گذاری انجام می گردد و در نهایت کل قسمت حفاری شده با استفاده از لوله ترمی بتن ریزی می گردد و یک دیوار بتنی ایجاد می گردد.
لوله ترمی، لوله ای است که به وسیله آن بتن در تراز پایین گود ریخته می شود با این کار در زمان بتن ریزی، بالا بودن وزن مخصوص بتن نسبت به بنتونیت، موجب بالا آمدن بنتونیت گردیده و بنتونیت بالا آمده برای استفاده مجدد قابل جمع آوری می باشد.
پایدارسازی گود به روش دیوار دیافراگمی
ضخامت دیوارهای دیافراگمی بین 0/6 تا ۱/۱ متر متغیر است. دیوار به صورت پانل های با عمق متناسب با عمق گود ساخته می شود. عرض پانلها بین 2 تا ۶ متر است. مقطع اینگونه دیوارها اصولاً به صورت مستطیلی ساخته می شوند اما سایر اشکال مانند T و L برای اهداف خاص قابل استفاده است.
8) سپرکوبی (Sheet Pile)
سپرکوبی روشی بهینه و مقرون به صرفه نسبت به دیوار حائل بتنی و دیوار بتنی سکانت می باشد. در روش سپرکوبی نیاز به گیرش بتن نیست و می توان گودبرداری را بعد از اتمام کوبش سپرها شروع کرد. بنابراین زمان اجرای پروژه نسبت به روش های مشابه کمتر می باشد.
پایدارسازی گود به روش سپرکوبی سپر کوبی
9) خاک مسلح یا ژئوسنتتیک (Geosynthetict)
کلمه ژئوسنتتیک از دو قسمت “ژئو” (Geo) و “سنتتیک” (Synthetic) تشکیل گردیده است. از کلمه “ژئو” در جایی استفاده می شود که مربوط به زمین باشد و از “سنتتیک” در جایی استفاده می شود که ماده، مصنوعی و ساخته دست بشر باشد. ژئوسنتتیک یا خاک مسلح به محصولاتی که مشکلات ژئوتکنیکی و خاکی را برطرف می کنند، اطلاق می گردد. چند محصول که به نام خاک مسلح نام برده می شود، عبارتند از:
- ژئوتکستایل (geotextile)
- ژئوگرید (geogrid)
- ژئوممبران (geomembrane)
- ژئونت (geonet)
- جی سی ال یا ژئوسنتتیک کلی لاینر (geosynthetic clay liner)
- ژئوفوم (geofoam)
- ژئوسل (geocell)
- ژئوکامپوزیت (geocomposite)
طبیعت پلیمری محصولات نام برده شده باعث دوام زیادی در آنها می شود. ژئوسنتتیک ها در اشکال مختلف و مصارف مختلف ژئوتکنیکی، حمل و نقلی، زیست محیطی و هیدرولیکی در موارد زیر استفاده می گردند:
جاده ها، فرودگاه ها، خطوط راه آهن، سدهای خاکی، دیوارهای حائل، استخرهای ذخیره آب، سدها، کانال ها، کنترل فرسایش، کنترل رسوب، بستر لندفیل ها، پوشش لندفیل ها، معادن، پرورش آبزیان و کشاورزی.
هنگامی که از ژئوسنتتیک ها در تماس با خاک، سنگ یا هر مصالح مهندسی دیگر استفاده می شود همواره یک یا چند عملکرد از عملکردهای تسلیح، جداکنندگی، فیلتراسیون، زهکشی، آب بندی و حفاظت مورد انتظار می باشد.
10) پایش دیواره های گود (Monitoring)
با توجه به پیشرفت روز افزون در صنعت ساختمان، حساسیت ساخت و نگهداری سازه های جدید نیاز به دقت و بررسی بیشتری دارد. زیرا همان طور که سازه های جدید در زندگی انسان ها مفید و راهگشا هستند، عدم دقت در طراحی، بهره برداری و نگهداری آنها ممکن است حوادث جبران ناپذیری ایجاد کند. بنابراین جهت حفظ دقت، نیاز به استفاده از روش ها و ابزار اندازه گیری خاصی می باشد.
علم ژئوماتیک یکی از علومی است که جهت اندازه گیری های دقیق به کار می رود. در این علم از روش های مختلفی جهت اندازه گیری های دقیق استفاده می گردد که ميکروژئودزي یکی از مهمترین روش های موجود است. ميکروژئودزی (ژئودزی در مقياس کوچک) یعنی تعيين موقعيت سازه و يا منطقه ای کوچک به طوري که اثر کرويت زمين در آن مطرح نمی شود.
موقعيت و شکل هر سازه اي به مرور زمان تغيير مي يابد. مانند تغییرشکل پل ها در اثر عبور ماشين های سنگين، تغییرشکل سدها در اثر نيروی فشار آب، نشست زمين در راستای قائم در اثر حفاری ها و تخليه منابع زيرزمينی و همچنین تغییر مکان دیواره های گود در اثر گودبرداری، خاکبرداری و پایدارسازی گود.
بنابراین به طور خلاصه می توان گفت: مجموعه اقداماتی که به وسیله ابزار دقیق، جهت رفتار سنجی و بررسی حرکات یک سازه بزرگ مانند سد، پل، مخازن نفتی، سازه های مجاور گودبرداری و … با دقت بسیار زیاد و با استفاده از مشاهدات و محاسبات ژئودتیک انجام می گردد را میکروژئودزی می نامند.
ازجمله نتایج استفاده از سیستم های ابزاردقیق جهت پایش و رفتارسنجی (پایدارسازی گودهای عمیق) می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
- کاهش هزینه ها: یک طرح ابزاربندی مناسب و قابل اعتماد در شرایط حساس همچون وجود خاک هایی با قابلیت فشردگی زیاد و یا موارد دیگر، باعث کاهش چشمگیر احتمال وقوع خطرات می شود. کاهش ریسک طرح، باعث افزایش ضرایب اطمینان در مرحله اجرا می شود. این موضوع نیز باعث کاهش هزینه ها خواهد شد.
- تقلیل ضرایب اطمینان: بدون ابزاربندی و اندازه گیری های لازم، انتخاب پارامترهای طراحی بر اساس فرضیاتی صورت می گیرد که این فرضیات محافظه کارانه بوده و در نتیجه ضرایب اطمینان طرح و هزینه ها بالا خواهد بود.
- تغییر در طرح: در صورتی که با توجه به شرایط، طراحی های انجام شده پاسخگو نباشد، اطلاعات حاصل از ابزاربندی در فازهای اولیه پروژه نیاز به ایجاد تغییرات در طراحی را مشخص می کند.
- کنترل روند و روش عملیات اجرایی: ابزار دقیق در عملیاتی همچون تثبیت و اصلاح خاک و پیش بارگذاری، اطلاعاتی را در خصوص روند پیشرفت عملیات نشان می دهد. برای مثال کنترل کفایت تعداد زهکش های به کار رفته در پیش بارگذاری، توسط ابزار دقیق قابل بررسی می باشد.
- ایمنی: ابزاربندی خطرات احتمالی را پیش از وقوع، هشدار می دهد به ویژه در مسائل مربوط به پایداری شیب ها فرصتی را برای تکمیل عملیات جهت رفع خطر و یا ترک محل فراهم می آورد.
علاوه بر بحث پایش، کنترل کیفیت اجزای سازه نگهبان در حین اجرا نیز اهمیت ویژه ای دارد. از موارد کنترلی اجرای سازه نگهبان می توان به آزمایشات کنترل کیفیت بتن و میلگرد اشاره نمود.
آزمایش های کنترلی و کنترل های حین اجرا شامل اجزای مختلف سازه نگهبان مانند میخ و مهارهای کششی نیز می گردد. انواع آزمایش های کششی بارگذاری، سیکل های بارگذاری و باربرداری، تست خزش و بارگذاری تا حد نهایی از این دست آزمایشات می باشند.
11) نقشه برداری (Surveying)
مهندسی نقشه برداری یکی از رشته های فنی – مهندسی دانشگاهی است که به روش های مختلف جمع آوری اطلاعات زمینی به منظور تهیه نقشه برای کاربران مختلف از روش های متفاوت می پردازد. نقشه یکی از اولین و ضروری ترین مشخصه هر فعالیت عمرانی نظیر پایدارسازی گود، بهسازی بستر، احداث راه، خطوط انتقال نیرو و آب، احداث تونل و مترو و … می باشد.
نقشه برداری دو مرحله دارد:
- اندازه گیری: از دستگاه ها و روش های مختلف جهت به دست آوردن اطلاعات مورد نیاز مرحله دوم استفاده می‌شود.
- ارائه نتایج: نتایج کار به صورت های زیر ارائه می گردد:
آنالوگ (نقشه، مقاطع طولی و عرضی و …)
رقمی (مانند جدول‌ها، مدل‌های رقمی زمین)
